Школа разработки аппаратуры цифровой обработки сигналов на ПЛИС Занятие 5. Язык описания аппаратуры AHDL
Общие сведения о языке описания аппаратуры AHDL
Язык описания аппаратуры AHDL разработан фирмой Altera и предназначен для описания комбинационных и последовательностных логических устройств, групповых операций, цифровых автоматов (state machine) и таблиц истинности с учётом архитектурных особенностей ПЛИС фирмы Altera. Он полностью интегрируется с системой автоматизированного проектирования ПЛИС MAX+PlusII. Файлы описания аппаратуры, написанные на языке AHDL, имеют расширение “*.TDF” (Text design file). Для создания TDF-файла можно использовать как текстовый редактор системы MAX+PlusII, так и любой другой. Проект, выполненный в виде TDF-файла, компилируется, отлаживается и используется для формирования файла программирования или загрузки ПЛИС фирмы Altera.
Операторы и элементы языка AHDL являются достаточно мощным и универсальным средством описания алгоритмов функционирования цифровых устройств, удобным в использовании. Язык описания аппаратуры AHDL даёт возможность создавать иерархические проекты в рамках одного этого языка или использовать TDF-файлы, разработанные на языке AHDL, наряду с другими типами файлов. Для создания проектов на AHDL можно, конечно, пользоваться любым текстовым редактором, но текстовый редактор системы MAX+PlusII предоставляет ряд дополнительных возможностей для ввода, компиляции и отладки проектов.
Проекты, созданные на языке AHDL, легко внедряются в иерархиче-скую структуру. Система MAX+PlusII позволяет автоматически создать символ компонента, алгоритм функционирования которого описывается TDF-файлом, и затем вставить его в файл схемного описания (GDF-файл). Подобным же образом можно вводить в любой TDF-файл собственные функции разработчика и около 300 макрофункций, разработанных фирмой Altera. Для всех функций, включённых в макробиблиотеку системы MAX+PlusII, фирма Altera поставляет файлы с расширением “*.inc”, которые используются в операторе включения INCLUDE.
При распределении ресурсов устройств разработчик может пользоваться командами текстового редактора или операторами языка AHDL для того, чтобы сделать назначения ресурсов и устройств. Кроме того, разработчик может только проверить синтаксис или выполнить полную компиляцию для отладки и запуска проекта. Любые ошибки автоматически обнаруживаются обработчиком сообщений и высвечиваются в окне текстового редактора. При работе с AHDL следует соблюдать так называемые “Золотые правила” (Golden Rules). Выполнение их позволит эффективно применять язык AHDL и избежать многих ошибок.
“Золотые правила AHDL”
Соблюдайте форматы и правила присвоения имён, описанные в руководстве по стилям AHDL, чтобы программа была читаемой и содержала меньше ошибок.
Несмотря на то, что язык AHDL не различает прописные и строчные буквы, Altera рекомендует для улучшения читаемости использовать прописные буквы для ключевых слов.
Не применяйте вложенные конструкции условного оператора If, если можно использовать оператор выбора Case.
Строка в TDF-файле может быть длиной до 255 символов. Однако следует стремится к длине строки, умещающейся на экране. Строки заканчиваются нажатием клавиши Enter.
Новую строку можно начинать в любом свободном месте, то есть на местах пустых строк, табуляций, пробелов. Основные конструкции языка отделяются пустым пространством.
Ключевые слова, имена и числа должны разделяться соответствующими символами или операторами и/или одним или более пробелами.
Комментарии должны быть заключены в символы процента (%). Комментарий может включать любой символ, кроме символа %, поскольку компилятор системы MAX+PlusII игнорирует всё, заключённое в эти символы. Комментарии не могут быть вложенными.
При соединении одного примитива с другим используйте только “разрешённые” связи между ними, не все примитивы могут соединяться друг с другом.
Используйте только макрофункции EXPDFF, EXPLATCH, NANDLTCH и NORLTCH, входящие в макробиблиотеку системы MAX+PlusII. Не создавайте свои собственные структуры перекрёстных связей. Избегайте многократного связывания вместе EXPDFF, EXPLATCH, NANDLTCH и NORLTCH. Многочисленные примеры этих макрофункций должны всегда разделяться примитивами LCELL.
Если многочисленные двунаправленные или выходные выводы связаны вместе, разработчик не может использовать оператор Pin Connection для соединения выводов при функциональном моделировании с аппаратной поддержкой или функциональном тестировании.
Нет необходимости создавать прототипы функций для примитивов. Однако разработчик может переопределить примитивы в объявлениях прототипов функций для изменения порядка вызова входов в вашем TDF-файле.
Не редактируйте файл Fit. Если разработчик желает отредактировать назначения для проекта, необходимо сохранить сначала файл Fit как TDF-файл или сделать обратное назначение с помощью команды Project Back-Annotate и отредактировать их с помощью команд Chip to Device, Pin/LC/Chip и Enter Assignments.
Если разработчик хочет загрузить регистр по определённому фронту глобального тактового сигнала Clock, фирма Altera рекомендует, когда регистр загружен, использовать для управления вход Clock Enable одного из триггеров типа Enable: DFFE, TFFE, JKFFE или SRFFE.
Когда разработчик начинает работать с новым файлом проекта, сразу же необходимо задать семейство ПЛИС, на которые ориентирован проект, с помощью конструкции Family для того, чтобы в дальнейшем иметь возможность воспользоваться макрофункциями, специфичными для данного семейства. Если разработчик не задаст семейство, оно будет считаться таким же, как и в текущем проекте.
Используйте опцию Design Doctor для проверки надёжности логики проекта во время компиляции.
Предоставляемые по умолчанию фирмой Altera стили для логического синтеза имеют разные установки для разных семейств устройств, что обеспечивает более эффективное использование архитектуры каждого устройства. Когда разработчик использует какой-нибудь из этих стилей, его установки изменятся при пере-ходе к другому семейству устройств. После смены семейства необходимо проверить новые установки стиля.
Использование чисел и констант в языке AHDL
Числа используются для представления констант в булевых выражениях и уравнениях. Язык AHDL поддерживает все комбинации десятичных, двоичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел.
На врезке 2 приведён файл decode1.tdf, который представляет собой дешифратор адреса, генерирующий высокий активный уровень сигнала разрешения доступа к шине, если адрес равен шестнадцатеричному числу 370h.
Врезка 2
SUBDESIGN decode1 ( address[15..0] : INPUT; chip_enable : OUTPUT; ) BEGIN chip_enable = (address[15..0] == H"0370"); END;
|
В этом примере десятичные числа использованы для указания размерности массива бит, которым записывается адрес шины. Шестнадцатеричным числом H”0370” записано значение адреса, при котором обеспечивается высокий уровень сигнала.
В файле AHDL можно использовать константы для описательных имён разных чисел. Такое имя, используемое на протяжении всего файла, может быть более информативным, чем число; например, имя UPPER_LI несёт больше информации, чем число 103. В языке AHDL константы вводятся объявлением CONSTANT.
Преимущество использования констант особенно заметно, если одно и то же число используется в файле несколько раз. Тогда, если его нужно изменить, его меняют только один раз в объявлении константы.
Комбинационная логика
Как известно, логическая схема называется комбинационной, если состояния выходов являются только функциями входов независимо от момента времени. Комбинационная логика в языке AHDL реализована булевыми выражениями и уравнениями, таблицами истинности и большим количеством макрофункций. В число примеров комбинаторных логических функций входят дешифраторы, мультиплексоры и сумматоры.
Булевы выражения — это множества узлов, чисел, констант и других булевых выражений, выделяемых операторами, компараторами и, возможно, сгруппированных в заключающих круглых скобках. Булево уравнение устанавливает равенство между узлом или группой и булевым выражением. В качестве примера на врезке 3 приведён файл boole1.tdf, в котором даны два простых булевых выражения, представляющих два логических элемента.
Врезка 3
SUBDESIGN boole1 ( a0, a1, b : INPUT; out1, out2 : OUTPUT; ) BEGIN out1 = a1 & !a0; out2 = out1 # b; END; |
Здесь выход out1 получается в результате логической операции И, применённой ко входу a1 и инвертированному входу a0, а выход out2 получается в результате применения логической операции ИЛИ к выходу out1 и входу b. Поскольку эти уравнения обрабатываются одновременно, последовательность их следования в файле не важна.
Узел, который объявляется в секции переменных VARIABLE в объявлении NODE, можно использовать для хранения промежуточных выражений.
Это полезно делать, если булево выражение повторяется несколько раз и его целесообразно заменить именем узла. Файл boole1.tdf можно переписать по-другому (врезка 4).
Врезка 4
SUBDESIGN boole2 ( a0, a1, b : INPUT; out : OUTPUT; ) VARIABLE a_equals_2 : NODE; BEGIN a_equals_2 = a1 & !a0; out = a_equals_2 # b; END; |
Здесь объявляется узел a_equals_2, и ему присваивается значение выражения ”a1 & !a0”. Если узел используется в нескольких выражениях, то его объявление помогает экономить ресурсы устройств.
Важным понятием AHDL является группа. Она может включать в себя до 256 элементов (бит), рассматривается как совокупность узлов и участвует в различных действиях как единое целое. В булевых уравнениях группа может быть приравнена булевому выражению, другой группе, одному узлу, VCC, GND, 1 или 0. В каждом случае значения группы разные.
Если группа определена, для краткого указания всего диапазона ставят две квадратные скобки [ ]. Например, группу a[4..1] можно кратко записать как a[ ].
Условная логика делает выбор между режимами в зависимости от логических входов. Для реализации условной логики используются операторы IF или CASE:
В операторе IF оценивается одно или несколько булевых выражений и затем описываются режимы для разных значений этих выражений.
В операторе CASE даётся список альтернатив, которые имеются для каждого возможного значения некоторого выражения. Оператор оценивает значение выражения и по нему выбирает режим в соответствии со списком.
Логика оператора IF
В качестве примера рассмотрим файл priority.tdf (врезка 5), в котором описан кодировщик приоритета, который преобразует уровень самого приоритетного активного входа в значение. Он генерирует двухразрядный код, показывающий вход с наивысшим приоритетом, запускаемый VCC.